高飽和容量的圖像傳感器像素及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高飽和容量的圖像傳感器像素及其工作方法，包括置于半導體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、第一復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第二復位晶體管和N型離子區(qū)，第二復位晶體管與光電二極管相連；N型離子區(qū)的一部分位于所述電荷傳輸晶體管溝道中，另一部分位于所述漂浮有源區(qū)中，并且與漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連。像素的飽和電荷容量不受工作電勢限制，進而有效提高了像素的飽和容量，提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
【專利說明】高飽和容量的圖像傳感器像素及其工作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種高飽和容量的圖像傳感器像素及其工 作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應用于數(shù)碼相機、移動手機、醫(yī)療器械、汽車和其他應用 場合。特別是制造 CMOS (互補型金屬氧化物半導體）圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們 對圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器一般采用四晶體管像素（4T)結(jié)構(gòu)。如圖1所示， 是采用CMOS圖像傳感器4T有源像素結(jié)構(gòu)的示意圖，包括虛線框內(nèi)的切面示意圖和虛線框 外的電路示意圖兩部分。4T有源像素的元器件包括：光電二極管區(qū)域101，電荷傳輸晶體管 102,復位晶體管103,漂浮有源區(qū)FD，源跟隨晶體管104,選擇晶體管105,列位線106 ;其中 101置于半導體基體中，STI為淺槽隔離區(qū)，N+區(qū)為晶體管源漏有源區(qū)，其中FD區(qū)由N+區(qū) 組成；Vtx為102的柵極端，Vrst為103的柵極端，Vsx為105的柵極端，Vdd為電源電壓。 光電二極管101接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電信號；開啟晶體管102,將光電二極管中的 光電信號轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)FD區(qū)后，由晶體管104所探測到的FD勢阱內(nèi)電勢變化信號經(jīng) 106讀取并保存。
[0004] 圖2示出了圖1虛線框內(nèi)器件部分，在進行光電電荷轉(zhuǎn)移操作時的勢阱示意 圖。圖2所示，201為光電二極管區(qū)101的勢阱，202為FD區(qū)勢阱，Vpinl為光電二極管 的完全耗盡電勢，Vrstl為FD區(qū)的復位電勢；其中Cpdl為201的電容，Cfdl為202的電 容。由圖2所示，201區(qū)中的光電電荷能夠被完全轉(zhuǎn)移至202的條件是：Cpdl*Vpinl〈= Cfdl* (Vrstl-Vpinl)，即 Vpinl〈 = Cfdl*Vrstl/ (Cpdl+Cfdl)，其中 Vrstl-Vpinl 為 FD 區(qū)電 壓信號擺幅；由此可見，201區(qū)的飽和電荷量Cpdl*Vpinl受到Vpinl最高值的限制，即像素 的飽和電荷量受到像素工作電勢的限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種能有效提高像素的飽和容量，提升圖像傳感器輸出的圖 像品質(zhì)的高飽和容量的圖像傳感器像素及其工作方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明的高飽和容量的圖像傳感器像素，包括置于半導體基體中的光電二極管、 電荷傳輸晶體管、第一復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第二復 位晶體管和N型離子區(qū)，所述第二復位晶體管與所述光電二極管相連；
[0008] 所述N型離子區(qū)的一部分位于所述電荷傳輸晶體管溝道中，另一部分位于所述漂 浮有源區(qū)中，并且與所述漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連。
[0009] 本發(fā)明的上述的高飽和容量的圖像傳感器像素的工作方法，包括步驟：
[0010] a、進行光電二極管復位操作，即開啟第二復位晶體管，清除光電二極管中的電荷， 清除完畢后關(guān)閉第二復位晶體管，像素開始曝光；
[0011] b、像素曝光結(jié)束前，開啟第一復位晶體管做漂浮有源區(qū)復位操作，然后關(guān)閉第一 復位晶體管，讀取復位信號；
[0012] c、轉(zhuǎn)移光電二極管中的光電電荷至漂浮有源區(qū)操作，開啟電荷傳輸晶體管，將一 部分光電電荷轉(zhuǎn)移到N型離子區(qū)，然后關(guān)閉電荷傳輸晶體管，N型離子區(qū)中的光電電荷轉(zhuǎn)移 至漂浮有源區(qū)，重復電荷傳輸晶體管的開啟關(guān)閉操作，直至光電二極管中的光電電荷完全 轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)，像素曝光周期結(jié)束；其中電荷傳輸晶體管的開啟關(guān)閉操作大于等于1 次；
[0013] d、讀取漂浮有源區(qū)中的光電信號。
[0014] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的一種高飽和容量的 圖像傳感器像素及其工作方法，由于在電荷傳輸晶體管溝道和漂浮有源區(qū)區(qū)域設(shè)置了 N型 離子區(qū)，電荷傳輸晶體管溝道與漂浮有源區(qū)N+區(qū)之間形成勢壘，配合本發(fā)明像素的工作方 法，電荷傳輸晶體管多次開啟關(guān)閉的操作，可以將光電二極管高電勢區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移至漂浮 有源區(qū)N+區(qū)。因此，本發(fā)明的像素的飽和電荷容量不受工作電勢限制，進而有效提高了像 素的飽和容量，提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器像素在進行電荷轉(zhuǎn)移操作時的勢阱示意圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖4是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作的時序控制示意圖。
[0019] 圖5是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，曝光開始時的勢阱示意圖。
[0020] 圖6是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，轉(zhuǎn)移光電電荷操作前的勢阱示意圖。
[0021] 圖7是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，轉(zhuǎn)移光電電荷操作，開啟電荷傳輸晶體 管時的勢阱示意圖。
[0022] 圖8是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，轉(zhuǎn)移光電電荷操作，未完全關(guān)閉電荷傳 輸晶體管時的勢阱示意圖。
[0023] 圖9是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，轉(zhuǎn)移光電電荷操作，完全關(guān)閉電荷傳輸 晶體管時的勢阱示意圖。
[0024] 圖10是本發(fā)明的圖像傳感器像素工作時，轉(zhuǎn)移光電電荷操作完畢時的勢阱示意 圖。

【具體實施方式】
[0025] 下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0026] 本發(fā)明的高飽和容量的圖像傳感器像素，其較佳的【具體實施方式】是：
[0027] 包括置于半導體基體中的光電二極管、電荷傳輸晶體管、第一復位晶體管、源跟隨 晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第二復位晶體管和N型離子區(qū)，所述第二復位晶 體管與所述光電二極管相連；
[0028] 所述N型離子區(qū)的一部分位于所述電荷傳輸晶體管溝道中，另一部分位于所述漂 浮有源區(qū)中，并且與所述漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連。
[0029] 所述第二復位晶體管的源極端為光電二極管區(qū)，漏極端與電源電壓相連。
[0030] 所述N型離子區(qū)與所述電荷傳輸晶體管溝道交疊部分大于等于0. lum，并且在所 述漂浮有源區(qū)中的寬度大于等于〇. lum。
[0031] 所述N型離子區(qū)的深度小于等于0· 2um。
[0032] 所述漂浮有源區(qū)的N+區(qū)與電荷傳輸晶體管柵極的距離大于等于0. lum。
[0033] 所述N型離子區(qū)的N型離子濃度為lE+15Atom/cm3?lE+16Atom/cm 3。
[0034] 所述光電二極管的完全耗盡電勢不受像素工作電勢的限制，最高為電源電壓。
[0035] 本發(fā)明的上述的高飽和容量的圖像傳感器像素的工作方法，其較佳的具體實施方 式是：
[0036] 包括步驟：
[0037] a、進行光電二極管復位操作，即開啟第二復位晶體管，清除光電二極管中的電荷， 清除完畢后關(guān)閉第二復位晶體管，像素開始曝光；
[0038] b、像素曝光結(jié)束前，開啟第一復位晶體管做漂浮有源區(qū)復位操作，然后關(guān)閉第一 復位晶體管，讀取復位信號；
[0039] c、轉(zhuǎn)移光電二極管中的光電電荷至漂浮有源區(qū)操作，開啟電荷傳輸晶體管，將一 部分光電電荷轉(zhuǎn)移到N型離子區(qū)，然后關(guān)閉電荷傳輸晶體管，N型離子區(qū)中的光電電荷轉(zhuǎn)移 至漂浮有源區(qū)，重復電荷傳輸晶體管的開啟關(guān)閉操作，直至光電二極管中的光電電荷完全 轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)，像素曝光周期結(jié)束；其中電荷傳輸晶體管的開啟關(guān)閉操作大于等于1 次；
[0040] d、讀取漂浮有源區(qū)中的光電信號。
[0041] 本發(fā)明的高飽和容量的圖像傳感器像素及其工作方法，由于在電荷傳輸晶體管溝 道和漂浮有源區(qū)區(qū)域設(shè)置了 N型離子區(qū)，電荷傳輸晶體管溝道與漂浮有源區(qū)N+區(qū)之間形成 勢壘，配合本發(fā)明像素的工作方法，電荷傳輸晶體管多次開啟關(guān)閉的操作，可以將光電二極 管高電勢區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)N+區(qū)。因此，本發(fā)明的像素的飽和電荷容量不受工作 電勢限制，進而有效提高了像素的飽和容量，提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
[0042] 具體實施例：
[0043] 實施例一：
[0044] 圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含虛線框內(nèi)的切面部分和虛線框外的電路部 分不意圖。圖3中，301為光電二極管，302為電荷傳輸晶體管，303為第一復位晶體管，F(xiàn)D 為漂浮有源區(qū)，304為源跟隨晶體管，305為選擇晶體管，306為列位線，307為第二復位晶體 管，308為N型離子區(qū)；其中，STI為淺槽隔離區(qū)，N+區(qū)為晶體管源漏有源區(qū)，Vdd為電源電 壓；Vtx為302的柵極端，Vrst為303的柵極端，Vsx為305的柵極端，Vet為307的柵極端。 圖3所示，N型離子區(qū)308的一部分位于302的溝道處，一部分位于FD區(qū)，308與302溝道交 疊部分大于等于〇· lum，308在FD有源區(qū)的寬度大于等于0· lum，308的一側(cè)與FD區(qū)的N+區(qū) 相連，308區(qū)的深度小于等于0· 2um，308區(qū)的N型離子濃度為lE+15Atom/cm3?lE+16Atom/ cm3。所述307的漏極端與電源電壓Vdd相連，源極端為301區(qū)。所述電荷傳輸晶體管302 的溝道與FD區(qū)N+區(qū)之間形成勢壘，此勢壘是由于N型離子區(qū)濃度較低而產(chǎn)生的。
[0045] 實施例二：
[0046] 圖像傳感器像素工作的時序控制示意圖，如圖4所示。圖4僅示出了與本發(fā)明相 關(guān)的時序控制圖，其它時序未示出，其中，Vet為第二復位晶體管307的柵極時序，Vrst為第 一復位晶體管303的柵極時序，Vtx為電荷傳輸晶體管302的柵極時序，SH時序表征采集像 素信號的時序，其中SH高電平表示采集像素信號。上述Vet、Vrst、Vtx高電平脈沖表征開 啟相應晶體管操作，為低電平時表征關(guān)閉相應晶體管。圖4所示，401表征清除光電二極管 中電荷的操作，402表征FD復位操作，4031?403η表征光電電荷轉(zhuǎn)移操作，其中η值大于 等于1，404表征讀取復位信號操作，405表征讀取光電信號操作。所述401、402、403操作時 對應的勢阱示意圖，如圖5?圖10所示。下面，結(jié)合示意圖4?圖10,詳細地闡述本發(fā)明像 素的工作方法及其工作原理。
[0047] 本發(fā)明的圖像傳感器像素的工作方法，步驟如下：
[0048] 首先，進行光電二極管復位操作，即開啟第二復位晶體管307,將Vet置為高電平， 清除光電二極管中301中的電荷，清除完畢后關(guān)閉第二復位晶體管307,將Vet置為低電平， 像素開始曝光，如圖4中401所示。清除301中電荷完畢時的勢阱示意圖，如圖5所示，其 中501為301的勢阱，502為308的勢阱，503為FD區(qū)N+區(qū)的勢阱，504為電源Vdd勢阱； Vpin2為501的完全耗盡電勢，Vrst2為FD的復位電勢，Cpd2為501的電容，Cfd2為503的 電容。所述Vpin2不受工作電勢限制，Vpin2最高可等于Vdd。
[0049] 進一步，像素曝光結(jié)束前，開啟第一復位晶體管303,即Vrst置為高電平，做漂浮 有源區(qū)FD復位操作，然后關(guān)閉第一復位晶體管303,此操作如圖4中的402所示。
[0050] 進一步，讀取復位信號操作，如圖4中404所示。
[0051] 進一步，轉(zhuǎn)移光電電荷操作，即將501的中電荷轉(zhuǎn)移至503區(qū)，此操作時序如圖4 中的403所示。轉(zhuǎn)移電荷操作，是通過將302做至少1次開啟關(guān)閉的動作實現(xiàn)的，所述轉(zhuǎn)移 光電電荷的原理圖，如圖6?圖10所不。光電電荷轉(zhuǎn)移前的勢講，如圖6所不，501區(qū)由于 光的照射，產(chǎn)生了大量光電電荷，302處于關(guān)閉狀態(tài)，Vtx處于低電平。轉(zhuǎn)移光電電荷操作， 開啟302,即將Vtx置為高電平，如圖4中的403操作所示，對應的勢阱示意圖如圖7所示， 501中的光電電荷重新分配到501、502和302的溝道區(qū)中，由于502區(qū)與503區(qū)之間存在勢 壘，501與503處于斷開狀態(tài)；然后關(guān)閉302的操作中，302未完全關(guān)閉時的勢阱示意圖，如 圖8所示，此時，502區(qū)中存有光電電荷；302完全關(guān)閉時，勢阱示意圖如圖9所示，存在502 區(qū)的電荷，轉(zhuǎn)移到503區(qū)中。如此，多次做302開啟關(guān)閉的動作，最終將501區(qū)中的光電電 荷全部轉(zhuǎn)移至503區(qū)，像素曝光周期結(jié)束，此時的勢阱示意圖如圖10所示。
[0052] 最后，讀取503區(qū)中的光電信號，如圖4中的405操作所示。
[0053] 本發(fā)明的圖像傳感器像素，結(jié)合本發(fā)明的像素工作方法，光電二極管的完全耗盡 電勢不受像素工作電勢的制約，其最高值可以為電源電壓，其飽和電荷容量最高可以為 Cpd2*Vdd。因此，本發(fā)明有效提高了像素的飽和容量，提升了圖像傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
[0054] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范 圍為準。
【權(quán)利要求】
1. 一種高飽和容量的圖像傳感器像素，包括置于半導體基體中的光電二極管、電荷傳 輸晶體管、第一復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括 第二復位晶體管和N型離子區(qū)，所述第二復位晶體管與所述光電二極管相連； 所述N型離子區(qū)的一部分位于所述電荷傳輸晶體管溝道中，另一部分位于所述漂浮有 源區(qū)中，并且與所述漂浮有源區(qū)的N+區(qū)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高飽和容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述第二復位 晶體管的源極端為光電二極管區(qū)，漏極端與電源電壓相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高飽和容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述N型離子區(qū) 與所述電荷傳輸晶體管溝道交疊部分大于等于〇. lum，并且在所述漂浮有源區(qū)中的寬度大 于等于0· lum。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高飽和容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述N型離子區(qū) 的深度小于等于〇· 2um。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高飽和容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述漂浮有源 區(qū)的N+區(qū)與電荷傳輸晶體管柵極的距離大于等于0. lum。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高飽和容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述N型離子區(qū) 的 N 型離子濃度為 lE+15Atom/cm3 ?lE+16Atom/cm3。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高飽和容量的圖像傳感器像素，其特征在于，所述光電二極 管的完全耗盡電勢不受像素工作電勢的限制，最高為電源電壓。
8. -種權(quán)利要求1至7任一項所述的高飽和容量的圖像傳感器像素的工作方法，其特 征在于，包括步驟： a、 進行光電二極管復位操作，即開啟第二復位晶體管，清除光電二極管中的電荷，清除 完畢后關(guān)閉第二復位晶體管，像素開始曝光； b、 像素曝光結(jié)束前，開啟第一復位晶體管做漂浮有源區(qū)復位操作，然后關(guān)閉第一復位 晶體管，讀取復位信號； c、 轉(zhuǎn)移光電二極管中的光電電荷至漂浮有源區(qū)操作，開啟電荷傳輸晶體管，將一部分 光電電荷轉(zhuǎn)移到N型離子區(qū)，然后關(guān)閉電荷傳輸晶體管，N型離子區(qū)中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂 浮有源區(qū)，重復電荷傳輸晶體管的開啟關(guān)閉操作，直至光電二極管中的光電電荷完全轉(zhuǎn)移 至漂浮有源區(qū)，像素曝光周期結(jié)束；其中電荷傳輸晶體管的開啟關(guān)閉操作大于等于1次； d、 讀取漂浮有源區(qū)中的光電信號。
【文檔編號】H01L27/146GK104218047SQ201410478914
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司